中国天眼举目苍穹

　　“遂古之初，谁传道之？上下未形，何由考之？”屈原《天问》中的追问，代表着中华民族长久以来对太古洪荒、上天宇宙的浓厚兴趣。

　　如今，随着正在贵州黔南布依族苗族自治州建设的世界最大单口径射电望远镜——500米口径球面射电望远镜（FAST）的核心部件“馈源舱”11月21日成功完成首次升舱试验，整个工程即将进入尾声。中国科学家们很快就能利用这一观天神器，探索宇宙深处的奥秘。

　　天眼视网膜实验很成功

　　11月21日上午10时58分，FAST工程进入项目最重要的一个阶段——进行馈源支撑系统首次升舱。工作人员操作拖动6根钢索，把馈源舱以每分钟8米的速度吊起，稳稳升至108米高空。此次成功实验，使得FAST向明年9月的竣工期又迈出了重要一步。

　　“馈源舱相当于‘天眼’的视网膜。”FAST项目馈源支撑系统总指挥孙才红对媒体表示，反射面板接收到射电电磁波信号后，会将宇宙信号汇聚到馈源舱。从外形来看，馈源舱像我们熟知的神舟飞船大小，重量大30吨。

　　吊起这个大家伙是为了更好地收集信号，这需要安全稳定并精确到毫米的支撑系统。科学家们为此设计了6塔、6索、1台、1舱。具体是这样搭配的：在“天眼”外围建起6座百米高的支撑塔，这些塔分别牵引着1条钢丝绳索，“天眼”的底部中央有一个舱停靠平台，升起后的馈源舱就位于平台正上方。

　　为啥用钢索？这是因为钢索不仅可以使馈源与反射面的位置不再相对固定，而且可以降低馈源舱的重量和尺寸，减少馈源系统对射电望远镜无线电波的遮挡。

　　工作的时候，“天眼”能够跟随天体转动，以实现对射电源的跟踪、扫描等天文观测。这个过程有两个动作来配合：一是类似“转眼球”的动作，这是通过馈源舱位置的调整来完成的。科学家们通过控制6根钢索，带动馈源舱在距离地面140—180米、直径为207米的球冠面上运动。二是“转眼睛”，就像水手扯动缆绳控制风帆朝向一样，它通过拉扯钢索网来使“天眼”变形，这就要靠与钢索网相连的2000多个小电机来控制完成。

　　为了保证精确到毫米，整个变形过程由激光定位系统校准。为此，工程人员创造了多项第一：比如性能远优于国军标要求的动光缆，这是世界首创；使用并联机器人进行二次精调，实现望远镜接收机的高精度指向跟踪，这也是该项目的自主创新成果之一。

　　“天眼”究竟有多牛？

　　“天眼”究竟长啥样？又是干啥用的呢？

　　要回答这些问题，我们应该先从射电天文学说起。射电，是比红外线频率更低的电磁波段。在宇宙深空，有很多极其微弱的电磁波。但就像科学家诗意地形容的那样，半个多世纪以来，人类接收到的宇宙讯号的力量还不足以翻起一页纸。这些电磁波像雷声中的蝉鸣，射电望远镜就像“千里眼”、“顺风耳”，灵敏地分辨到波长约1毫米到30米左右的电波。

　　其实，射电望远镜的原理和我们日常用到的接受卫星信号的天线“锅盖”类似，都是通过“锅面”的反射聚焦，把几平方米到几千平方米的信号聚拢到一点上，接收无线电波来确定位置和轨道。只不过，科学家们玩的“装备”更高级，他们要收的信号不是人造的，而是来自宇宙深处（当然也可能是外星人发出的）的电磁波。

　　要想收到更清晰的信号，“锅”当然造得越大越好。这方面，FAST可谓世界射电望远镜家族里的王者：它外形像一个锅，实际上由每块边长11米的4450块三角形反射面面板拼出来，反射面积达25万平方米，有30个足球场大，直径达500米。总长度超过1.5千米的钢圈梁，将上万根钢索牢牢固定住。安装完成后，整个反射面悬在半空中的。

　　这30个足球场大小的反射面积接收到的信号，最终聚集在一颗“小药丸”大小的空间里。这个“小药丸”就是馈源，放在前文提到的馈源舱内。

　　这么苛刻的条件实现后，FAST的灵敏度将分别是目前世界上几个最大的射电望远镜——美国的特大天线阵、阿雷西博和印度巨型米波射电望远镜的5.4倍、2.3倍和1.5倍。这意味着，远在百亿光年外的射电信号，FAST也有可能亲耳听到、亲眼看见。

　　看宇宙的地方其实不好找

　　古诗说：“横看成岭侧成峰，远近高低各不同。”对于射电望远镜来说，位置是决定观测精度的重要因素之一。射电望远镜要求毫米级的精度，在平地上建百米以上的射电望远镜，巨大的自重使其即使遭遇一阵风也会变形。

　　为了给FAST找个家，中外科学家可是费了大劲。从1994年底北京天文台（现国家天文台）牵头20所院校提出“喀斯特工程”开始，科学家们使用了遥感、地理信息系统、GPS、现场考察与计算机图像分析等多种方法寻找，直到2007年，才在贵州省平塘县克度镇找到了一处合适的“大窝凼”。

　　“它周围有三座山峰，每座距离都在500米左右，中间的洼地犹如一个天然的锅架，刚好稳稳地盛下FAST这口‘大锅’。”孙才红介绍到，这样不仅可以使工程开挖量最小，还因为科斯特地貌保证雨水向地下渗透，使望远镜不容易腐蚀。此外，这里附近5千米半径之内没有一个乡镇，是无线电接收的理想环境。

　　除了贵州的FAST，在上海佘山脚下，3年前建成的65米口径射电望远镜通过全方位“扭头”观测，已在我国嫦娥探月等航天工程应用中发挥重要作用。这与北京的50米射电望远镜、昆明的40米射电望远镜、新疆的21厘米天线阵，构成了我国内地相互补充的射电观测网络。

　　在冰冷的南极，大气宁静度高，“星星不眨眼”，空气寒冷而干燥，对光学红外及射电望远镜来说格外有利，我国天文学家自2007年开始已连续多年出征南极内陆的昆仑站，建成了我国最为偏远的自动天文观测站。目前，南极光学小望远镜阵“中国之星”、南极巡天望远镜AST3等仪器已陆续在冰穹A获得大量观测结果。

　　在太空安放一台射电望远镜其实是最好的选择。因为完全脱离大气层，射电望远镜可以毫无障碍地接收信号。然而，同样能力的望远镜，太空版造价是地面版的10倍。同时，就像哈勃、开普勒望远镜那样，“体格”都不可能做得太大；像FAST这样的巨制，或许得等到我国登月技术成熟后，才能有望将其安装在月球上。

　　可以用它来找外星人

　　“两暗一黑三起源。”这是科学专业人士圈里的俗话，用来形容天文望远镜的科学使命。两暗是指暗物质和暗能量，一黑是黑洞，三起源则是天体、宇宙和生命的起源。

　　FAST将能探测宇宙中遥远的信号、物质，例如电磁波、微波、激光、宇宙中的各种气体、有机物、星际物质、恒星等的辐射信息。比如，FAST能将中性氢观测延伸至宇宙边缘，观测暗物质和暗能量，寻找第一代天体；能用一年时间发现约7000颗脉冲星，研究极端状态下的物质结构与物理规律；有希望发现奇异星和夸克星物质等。

　　在国家重大需求方面，FAST也有重要应用价值。它能把中国空间测控能力由地球同步轨道延伸至太阳系外缘，将深空通讯数据下行速率提高100倍。进行高分辨率微波巡视，以1Hz的分辨率诊断识别微弱的空间讯号，作为被动战略雷达为国家安全服务等。

　　此外，除了单向接收宇宙信号之外，FAST也可以看成是一根巨大的地球天线，提供星际间的深空通讯能力。如果有人类航天器飞到远至太阳系外缘行星，仍然能够通过FAST和地球联系上。

　　能否“寻找外星人”也是众多科幻迷极为关注的。专家表示，宇宙中的生命体或高智商“外星人”若存在，他们的产生、遗留之信息，若存在于浩瀚天宇中，同样有可能被FAST探测并接收到。

　　像开普勒望远镜就是专门用来探测系外行星，寻找外星生命、外星文明的踪迹。开普勒望远镜被送入太空后，大大推进了对系外行星的发现程度，迄今已发现了几千颗行星“候选者”。FAST的使命之一，也包括高效率地开展对地外生命的探索，寻找“外星人”存在的线索。

　　按计划，FAST的全部安装及测试工作将于2016年9月前完成。总之，如果一切顺利，在今年年底馈源舱先行安装完毕后，我们的FAST将睁开眼睛，细心观察深空宇宙，开始探索那些我们迷惘而又期待的宇宙信号。

　　链接：

　　各国大口径射电望远镜

　　绿岸望远镜（GBT）

　　口径：1x100米

　　国家：美国

　　建成时间（年）：2000

　　巨型米波射电望远镜（GMRT）

　　口径：30x45米

　　国家：印度

　　建成时间（年）：1995

　　IRAM毫米波射电望远镜

　　口径：6x15，30米

　　国家：法国

　　建成时间（年）：1979

　　埃菲尔斯伯格射电望远镜（Effelsberg）

　　口径：1x100米

　　国家：德国

　　建成时间（年）：1972

　　阿雷西博射电望远镜

　　口径：1x305米

　　地址：波多黎各

　　国家：美国

　　建成时间（年）：1963

　　澳大利亚帕克斯射电望远镜（Parks）

　　口径：1x64米

　　国家：澳大利亚

　　建成时间（年）：1961